4.2.3. Емкостные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя щироко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением

С = eeoG/5,

(4.74)

где 6 - расстояние между электродами; Q-nx площадь; ео - электрическая постоянная; - относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 4.15, а) Q = Ьх к имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 4.15, б). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

S = dC/dx = еоЬ/д

(4.75)

постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами 6.

Если изменяется расстояние 6 между электродами, функция преобразования С = /(6) представляет собой гиперболическую функцию-Чувствительность преобразователя

S = dC/db = (4.76)

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пластинами 5. Для увеличения чувствительности S целесообразно уменьг

Подвижная пластина

Рис. 4.16

шить 5. Предельное его значение определяется технологическими соображениями и приложенным напряжением. Надо учитывать, что при малых 5 возможен злектрический пробой между электродами*.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 4.16, а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется ка1с емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них Cg образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой Со - оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью Cf имеет толщину 5, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением

С = С + Со = еоШ + QJe - 1)]/6,

(4.77)

где Q - площадь электродов; - часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения а с переменной площадью электродов приведена на рис. 4.16, 6. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экраном.

Схемы включения. Емкостный преобразователь включается в измерительную цепь; при зтом изменение его емкости преобразуется в изменение напряжения или тока либо в частоту синусоидального или импульсного тока. Существует довольно много различных измерительных цепей включения емкостных преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

* Пробой в сухом воздухе при атмосферном давлении происходит при напряженности £ = 3 • 10 кВ/см. Однако расчетное значение напряженности обычно не превосходит 700 кВ/см.

Для ввзночения недифференциального преобразователя может использоваться резонансная цепь (рис. 4.17, а). Генератор через разделительный трансформатор Т питает резонансный LC-контзф. Емкость контура состоит из емкости преобразователя Спр и под-строечного конденсатора емкостью С*, частота и значение напряжения генератора постоянны. При изменении емкости напряжение на контуре изменяется по резонансной кривой, как юказано на рис. 4.17,6. При изменении емкости преобразователя на ДС напряжение на контуре изменяется на ДС/. Подстроечный конденсатор служит для настройки контура так, чтобы чувствительность измерительной цепи

Рис. 4.17

S = AU/AC

(4.78)

была максимальной.

Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура.

Для включения дифференциального емкостного преобразователя может быть использована мостовая цепь (рис. 4.18), работающая в неравновесном режиме. В этой цепи емкости Ci и Сг - дифференциальный преобразователь. На схеме показано также экранирование соединительных проводов и диагоналей мостовой цепи. С, Cj, С -емкости соответствующих экранов. Эти емкости включены параллельно активным сопротивлениям и входят в полные сопротивления плеч моста. Эквивалентные емкости экранов могут несколько изменяться при работе прибора. Для того чтобы их изменения мало влияли на выходное напряжение моста, сопротивления резисторов R должны быть малыми. Емкость С не входит в уравнение равновесия моста, и ее изменение значительно меньше влияет на его выходное напряжение.

Другой схемой включения дифференциальных емкостных преобразователей является емкостно-диодная цепь (рис. 4.19, а). Дифференциальный преобразователь Ci и Сг подключается к источнику переменного напряжения через диоды VDi - VD и конденсаторы Сз - С4. При положительной полярности напряжения U конденсатор Ci заряжается через Сз и VD, а при отрицательной разряжается через С4 и VD2. Конденсаторы Сз и С4 имеют равные емкости, а диоды VD и VD2 - равные прямые сопротивления. При этом, если питающее напря-